馮新亮&梁海偉Angew. 揭秘碳包覆金屬催化劑的真正活性位點

2021-02-25 微算雲平臺

開發金屬-氮-碳材料（M-N-C）作為有效的非貴金屬（NPM）催化劑，以替代貴金屬鉑催化氧還原反應（ORR），對於質子交換膜燃料電池（PEMFC）的實際應用具有重要意義。

然而，這類催化劑通常採用的是高溫合成方法，由金屬-Nx位點和石墨烯包裹的金屬納米粒子同時組成的M-N-C材料存在明顯的結構異質性，因此在ORR中要明確定義金屬-N-C的主要活性結構極為困難。

近日，德國德勒斯登工業大學的馮新亮教授和中國科學技術大學的梁海偉教授報導了一種低溫（350℃）NH4Cl處理策略，可以有效地從石墨烯包覆的metal-N-C催化劑中蝕刻去除石墨烯包封的納米顆粒，而不會破壞共存的原子分散的金屬-Nx位點，從金屬-N-C材料中選擇性去除金屬納米顆粒後的催化活性大大提高。

過去的研究認為，一些石墨烯包裹的金屬納米顆粒其本身被認為是的活性催化物種，或是無金屬碳氮結構協同增強了ORR活性。但本文研究者發現，通過低溫NH4Cl處理去除非活性金屬納米顆粒後，可提高MNC材料的ORR性能，並且應避免形成包覆的納米顆粒結構，以最大程度地暴露活性M-Nx位點的數量。

該研究成果以「Identification of catalytic sites for oxygen reduction in metal/nitrogen-doped carbons with encapsulated metal nanoparticles」為題於2019年10月31日發表在國際期刊Angewandte Chemie。

圖1 低溫NH4Cl法處理石墨烯包覆的金屬顆粒示意圖圖2 不同金屬-C-N催化劑處理前後的TEM和XRD圖圖3 Fe-N-C/NH4Cl催化劑處理前後的SEM和HRTEM圖圖4 Fe-N-C/NH4Cl催化劑X射線吸收光譜圖5 Fe-N-C和Fe-N-C/NH4Cl催化劑ORR性能對比

本文介紹了一種低溫NH4Cl處理方法，可從M-N-C催化劑中有效去除石墨烯包覆的金屬納米顆粒，而不會破壞位於碳表面的M-Nx位點。基於適度和選擇性的NH4Cl純化工藝，確定了石墨烯包裹的M-NP在酸性介質中並非真正的活性組分，並通過該策略大大提升金屬-N-C催化劑的ORR性能。

Identification of catalytic sites for oxygen reduction in metal/nitrogen-doped carbons with encapsulated metal nanoparticles

(Angewandte Chemie，2019，DOI: 10.1002/ange.201912275)原文連結：http://dx.doi.org/10.1002/anie.201912275免責聲明：本文資訊編譯自學術期刊最新動態，以傳播知識、有益學習和研究為宗旨，相關工作與本公眾號無關， 如內容有誤，請批評指正。深圳華算科技專注DFT計算模擬服務，是唯一擁有VASP商業版權和全職技術團隊的計算服務公司，提供全程可追溯的原始數據，保證您的數據準確、合法，拒絕學術風險。目前我們已經完成超過500個服務案例，客戶工作在JACS、Angew、AM、AEM、Nano Energy、Nature子刊、Science子刊等知名期刊發表。

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